Переключение сопротивления в автоматическом выключателе

Переключение сопротивления

Переключение сопротивления относится к практике подключения фиксированного резистора параллельно контактному зазору или дуге выключателя. Этот метод применяется в выключателях с высоким постдуговым сопротивлением в контактном пространстве, главным образом для снижения напряжений повторного возгорания и переходных перенапряжений.

Серьезные колебания напряжения в энергосистемах возникают из-за двух основных сценариев: прерывания малых индуктивных токов и размыкания емкостных токов. Такие перенапряжения представляют риск для работы системы, но могут быть эффективно управляться с помощью переключения сопротивления — достигаемого путем подключения резистора между контактами выключателя.

Основной принцип заключается в том, что параллельный резистор отводит часть тока во время прерывания, ограничивая скорость изменения тока (di/dt) и подавляя рост переходного восстановительного напряжения. Это не только снижает вероятность повторного возгорания дуги, но и более эффективно рассеивает энергию дуги. Переключение сопротивления особенно важно в сверхвысоковольтных (СВВ) системах для приложений, чувствительных к перенапряжениям при коммутации, таких как обесточивание незагруженных линий передачи или коммутация конденсаторных батарей.

При возникновении неисправности контакты выключателя открываются, инициируя дугу между ними. Когда дуга шунтируется сопротивлением R, часть тока дуги отводится через резистор, уменьшая ток дуги и ускоряя процесс деионизации канала дуги.

Это запускает самоподдерживающийся цикл: по мере увеличения сопротивления дуги, больше тока проходит через шунтирующий резистор R, еще больше лишая дугу энергии. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток не опустится ниже критического порога для поддержания дуги (как показано на рисунке ниже), в этот момент дуга гаснет, и выключатель успешно прерывает цепь.

Механизм основан на динамическом регулировании распределения тока шунтирующим резистором, заставляя дугу вступить в замкнутый круг "упадок тока → ускоренная деионизация → рост сопротивления дуги". Это позволяет быстро восстановить диэлектрическую прочность канала дуги — часто до пересечения нуля тока — делая его особенно эффективным для подавления высокочастотных перенапряжений повторного возгорания. Такая функциональность критически важна в СВВ выключателях при прерывании емкостных токов или малых индуктивных токов.

Альтернативно, сопротивление может автоматически включаться путем переноса дуги с основных контактов на щуповые контакты, как это видно в осевых взрывных выключателях, с этим действием происходящим в очень короткое время. Заменяя путь дуги металлическим путем, ток, протекающий через сопротивление, ограничивается, что позволяет легко прервать цепь.

Шунтирующий резистор также играет ключевую роль в подавлении колебательного роста переходных напряжений повторного возгорания. Математически можно доказать, что собственная частота (fn) колебаний в рассматриваемой цепи управляется: введение резистивного элемента усиливает демпфирующие характеристики цепи, уменьшая амплитуду колебаний и замедляя скорость роста напряжения. Это аналогично включению диссипативной ветви в LC колебательную петлю, преобразующей недемпфированные колебания в затухающие, значительно улучшая стабильность прерывания выключателя.

В осевых взрывных конфигурациях быстрый перенос дуги обеспечивает включение резистора до пересечения нуля тока, предоставляя демпфирующий контроль на начальной стадии переходного процесса. Этот дизайн особенно подходит для СВВ применений, требующих ограничения перенапряжений при коммутации, так как синергетический эффект сопротивления и дуги позволяет упорядоченно рассеивать электромагнитную энергию во время прерывания.

Краткий обзор функций переключения сопротивления

Вкратце, резистор, подключенный к контактам выключателя, может выполнять одну или несколько следующих функций:

Уменьшает скорость возрастания напряжения повторного возгорания (RRRV) на выключателе

Отводя ток дуги и ускоряя деионизацию канала дуги, резистор подавляет скорость возрастания переходного восстановительного напряжения (TRV), облегчая нагрузку на восстановление диэлектрической прочности прерывателя.

Снижает высокочастотные переходные напряжения повторного возгорания при коммутации индуктивных/емкостных нагрузок

При прерывании индуктивных токов (например, незагруженных трансформаторов) или емкостных токов (например, заряженных кабелей) шунтирующий резистор ограничивает амплитуды колебательных перенапряжений путем рассеивания энергии, предотвращая риски пробоя изоляции.

Равномерно распределяет TRV в многоконтактных выключателях

В выключателях с несколькими прерывными зазорами резистор обеспечивает равномерное распределение TRV между контактными зазорами через деление напряжения, избегая повторного возгорания из-за концентрации напряжения в любом одном зазоре.

Сценарии, где переключение сопротивления не требуется

Традиционные выключатели с низким постдуговым сопротивлением в контактном пространстве (например, воздушные выключатели среднего/низкого напряжения) не требуют дополнительных шунтирующих резисторов. Их каналы дуги естественно деионизируются достаточно быстро, чтобы удовлетворять требованиям прерывания без внешнего сопротивления.

Анализ технического принципа

Основная ценность переключения сопротивления заключается в его синергетическом механизме "сопряжение импеданса-рассеивание энергии-демпфирование колебаний", который контролирует переходные процессы в пределах допустимых значений оборудования. Эта технология особенно критична в СВВ системах (110 кВ и выше), эффективно решая:

• Перенапряжения при прерывании малых токов

• Перенапряжения повторного возгорания при прерывании емкостных токов

Эти решения克服了传统灭弧方法在瞬态过电压控制方面的局限性。

Эти решения克服了传统灭弧方法在瞬态过电压控制方面的局限性。

Эти решения преодолевают ограничения традиционных методов гашения дуги в управлении переходными перенапряжениями.